Dynamische Inverse Probleme in Magnetic Particle Imaging (D-MPI)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Bernadette Hahn-Rigaud; Dr.-Ing. Tobias Kluth
• Fachliche Zuordnung: Mathematik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426078691

Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein bildgebendes Verfahren mit vielversprechenden medizinischen Anwendungen, welches auf dem Verhalten superparamagnetischer Eisenoxid-Nanopartikeln basiert. Die nichtlineare Reaktion der Partikel auf ein hochdynamisches angelegtes Magnetfeld induziert eine Spannung in mehreren Empfangsspulen, aus der ein örtliches Bild der Nanopartikelkonzentration rekonstruiert werden kann. Aufgrund der hohen zeitlichen und potenziell hohen räumlichen Auflösung ist MPI für verschiedenste in-vivo-Anwendungen geeignet und kommt dabei ohne schädliche Strahlung aus.MPI befindet sich derzeit in der präklinischen Phase. Um Modellierung, Datenerfassung und Rekonstruktion zu vereinfachen, wurden bisher allerdings einige entscheidende dynamische Aspekte vernachlässigt. In diesem Verbundprojekt behandeln wir drei dieser Aspekte, welche auf eine Vielzahl dynamischer inverser Probleme führen: (i) Konzentrationsdynamik, (ii) Magnetfelddynamik und (iii) Dynamik der Partikelmagnetisierung.Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass zeitliche Veränderungen der Konzentration (i) aufgrund des Zusammenspiels von dynamischen Prozessen (wie dem Herzschlag) und einer notwendigen Wiederholung von sequentiellen Messungen, um eine ausreichende Signalqualität sicher zu stellen, im Rekonstruktionsschritt berücksichtigt werden müssen. Daher ist es unser Ziel, Rekonstruktionsmethoden zu entwickeln, welche das dynamische Verhalten der Konzentration explizit einbeziehen, um die Rekonstruktionsergebnisse in Anwendungen wie z.B. der Strömungsschätzung oder dem Tracking von Instrumenten zu verbessern.Sicherheitsanforderungen begrenzen die Amplituden des dynamischen Teils des angelegten Magnetfeldes, was zu einem begrenzten Sichtbereich (FOV) während eines Messzyklus führt. Die Vergrößerung des FOV und die Entwicklung dynamischer Messstrategien, die im angelegten Magnetfeld (ii) kodiert sind, sind insbesondere für zukünftige Anwendungen in menschlicher Größenordnung von großem Interesse. In diesem Projekt wollen wir eine Strategie zur Reduzierung der Kalibrierungskosten, adaptive Abtastmethoden zur effizienten Erfassung der gewünschten Objektmerkmale und entsprechende dynamische Rekonstruktionsverfahren entwickeln.Wir gehen weiter auf das noch ungelöste Problem der korrekten Modellierung der Systemfunktion in MPI ein. Dieses hängt mit dem Magnetisierungsverhalten der Partikel (iii) in dem sich schnell ändernden angelegten Magnetfeld zusammen. Das Verhalten wird hauptsächlich durch Néel Rotations-Mechanismen großer Nanopartikel-Ensembles bestimmt. Wir betrachten dynamische Parameteridentifikationsprobleme in erweiterten Modellen für große Partikelensembles, um eine modellbasierte Rekonstruktion in MPI zu ermöglichen.Die Lösung dieser verschiedenen, untereinander zusammenhängenden dynamischen Probleme sind für die Weiterentwicklung der MPI-Methodik von großer Bedeutung, um einen Eintritt in die klinische Phase zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen